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发表于 2020-6-28 09:33:58 | 显示全部楼层 |阅读模式

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重型汽车钢板弹簧常用材料选型探讨

陈中旺

(安徽江淮汽车集团股份有限公司,安徽 合肥 230601)

【中国汽车材料网】摘 要:汽车钢板弹簧式汽车悬架系统中的主要零部件之一,重型汽车用钢板弹簧材料有很多种,实际悬架设计使用中,选择合适的钢板弹簧材料对整车性能和开发成本有一定的影响。文章介绍了现阶段几种常用钢板弹簧材料在实际悬架设计时选型推荐,仅供悬架设计参考。
关键词:钢板弹簧材料;悬架设计;选型推荐

引言
汽车钢板弹簧在汽车零部件中是处于复杂应力条件和最坏的工作环境下工作的零部件之一,因此对钢板弹簧的材料要求很高。
随着科技的不断进步和生产工艺的不断提高,汽车钢板弹簧也得到长足的发展,材料性能有很大的提高,材料的种类不少。钢板弹簧材料主要是弹簧钢,非金属材料也在研制、试用阶段。目前国内重型汽车基本上使用的都是弹簧钢。
本文对三种国内普遍采用的钢板弹簧材料从成分、性能、成本等方面进行对比分析,通过对比分析,给出三种材料在实际钢板弹簧开发过程中运用推荐。

1 材料成分对比
三种材料成分如下表:
表1 材料成分表
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1)50CrV4在50CrVA上增加Mo元素,提高材料的淬透性,同时热处理方式上不同。
2)Si元素能提高屈强比,但同时也会使晶粒粗大,增加石墨化倾向。Mn元素能有效提高淬透性,但脱碳倾向大,容易过热。Cr元素能提高钢的淬透性,同时能细化晶粒。V元素是强碳化物元素。热处理过程中能起到细化晶粒的作用。

2 材料性能
三种材料机械性能如下表:
表2
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1)50CrVA与60Si2Mn屈服强度相当,但材料的收缩率和延伸率较好,韧性较好;
2)50CrV4比50CrVA屈服强度提高15%。

3 热处理参数
三种材料热处理如下表:
表3
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1)50CrVA比60Si2Mn有更高的淬透性
一般来说,60Si2Mn 的淬透厚度小于等于12mm,50CrVA的淬透厚度≤25mm。淬透性好的钢材,可使钢件整个截面获得均匀一致的力学性能以及可选用钢件淬火应力小的淬火剂,以减小变形和开裂。
2)50CrVA的脱碳倾向比60Si2Mn要小
脱碳,是钢加热时表面碳含量降低的现象。脱碳的过程就是钢中碳在高温下与氢或氧发生作用生成甲烷或一氧化碳。脱碳是扩散作用的结果,脱碳时一方面是氧向钢内扩散;另一方面钢中的碳向外扩散。
钢的表面脱碳以后,由于表层与心部的组织不同和线膨胀系数不同,因此淬火时所发生的不同组织转变及体积变化将引起很大的内应力,同时表层经脱碳后强度下降,甚至在淬火过程中有时使零件表面产生裂纹。
3)正常情况下,50CrVA的晶粒度比60Si2Mn要好得多
单位面积中晶粒的数量与晶粒的尺寸有关,晶粒的大小对金属的拉伸强度、韧性、塑性等机械性质有决定性的影响,一般晶粒度越大,也就是越细越好。
以上三点决定了在正常情况下,板簧寿命 50CrVA比60Si2Mn要好。

4 设计时材料选择
三种材料选用推荐如下表:
表4
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上表是厂家根据材料淬透性要求推荐的板簧材料选用标准。
1)50CrV4与50CrVA淬透重叠厚度:22mm~25mm,重叠区域较小,考虑价格、机械性能及重量,在少片簧上使用,一般选用50CrV4。
2)50CrVA与60Si2Mn淬透重叠厚度:10mm~12mm,重叠区内 60Si2Mn屈服强度和价格都要好,因此可以利用60Si2Mn替代。

5 材料价格
三种材料现价格如下表:
表5
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1)材料相同,通过结构优化降低成本
以 6×4牵引车前钢板弹簧为例,两片簧和三片簧都采用,某车型的两片簧含税价格约为552元,同样匹配的选装三片簧含税价格则约为715元,差价163元左右。虽然可能考虑的承载能力有所差异,但是可以通过优化板簧结构,降低板簧成本。
2)结构相同,通过修改材料降成本
以某型4×2载货车标载型后钢板弹簧为例,该后钢板弹簧总成采用主副簧结构,副簧厚度12mm,在淬透厚度范围内,因此材料可选用60Si2Mn。
3)不同结构、不同材料降成本
材料50CrV4和50CrVA价格差17.7%,性能差15%,因此两种材料在淬透性厚度重叠范围内板簧价格差不大。而采用50CrVA材料的板簧重量较重,不符合降重要求。
综上:板簧设计时都会考虑材料的选用,钢板弹簧总成降成本可以通过结构优化实现。

6 结论
1)钢板弹簧材料选型原则:一般厚度在b<13mm以下,都使用60Si2Mn;厚度在13≤b≤25mm(目前多片簧最大厚度)区间内,结构为多片簧,材料选用50CrVA;厚度在22≤b≤40mm,结构少片簧,材料选用50CrV4;
2)目前,各主要的钢板弹簧制造公司都在研发高机械性能的弹簧钢,通过提高材料的强度,降低零部件重量、成本和能源的消耗,提高材料的利用率。

参考文献
[1] 王望予.汽车设计,[M]机械工业出版社,2003.
[2] 汽车工程学会悬架专业委员会,汽车悬架资料,1988.
[3] 成大先.机械设计手册,化学工业出版社,2008.



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